La física atómica (o física del átomo) es un campo de la física que implica la investigación de las estructuras de los átomos, sus estados energéticos y sus interacciones con otras partículas y la radiación electromagnética. En este campo de la física, los átomos se estudian como sistemas aislados formados por núcleos y electrones. Su principal preocupación está relacionada con la disposición de los electrones alrededor del núcleo y los procesos por los que esta disposición cambia. Incluye el estudio de los átomos en forma de iones, así como en estado neutro. A efectos de esta discusión, se debe asumir que el término átomo incluye los iones, a menos que se indique lo contrario. Gracias al estudio de la estructura y el comportamiento de los átomos, los científicos han podido explicar y predecir las propiedades de los elementos químicos y, por extensión, de los compuestos químicos.
El término física atómica se asocia a menudo con la energía nuclear y las bombas nucleares, debido al uso sinónimo de atómico y nuclear en el inglés estándar. Sin embargo, los físicos distinguen entre la física atómica, que se ocupa del átomo como sistema formado por un núcleo y electrones, y la física nuclear, que considera únicamente los núcleos atómicos. Como ocurre con muchos campos científicos, la delimitación estricta puede ser muy artificiosa y la física atómica suele considerarse en el contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica.
Átomos aislados
Como se ha señalado anteriormente, la física atómica implica la investigación de los átomos como entidades aisladas. En los modelos atómicos, el átomo se describe como si estuviera formado por un único núcleo rodeado por uno o más electrones ligados. No se ocupa de la formación de moléculas (aunque gran parte de la física es idéntica), ni examina los átomos en estado sólido como materia condensada. Se ocupa de procesos como la ionización y la excitación por fotones o las colisiones con partículas atómicas.
En términos prácticos, modelar los átomos de forma aislada puede no parecer realista. Sin embargo, si se consideran los átomos en un gas o plasma, las escalas de tiempo de las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que se examinan aquí. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si cada uno de ellos estuviera aislado, porque durante la mayor parte del tiempo lo están. Por esta consideración, la física atómica proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas tratan con un enorme número de átomos.
Configuración electrónica
Los electrones forman cáscaras nocionales alrededor del núcleo. Estos electrones se encuentran de forma natural en su estado de energía más bajo, llamado estado básico, pero pueden ser excitados a estados de energía más altos por la absorción de energía de la luz (fotones), los campos magnéticos o la interacción con una partícula que colisiona (normalmente otros electrones). El electrón excitado puede seguir ligado al núcleo, en cuyo caso debería, tras un cierto periodo de tiempo, volver al estado básico original. Al hacerlo, se libera energía en forma de fotones. Existen reglas estrictas de selección de las configuraciones electrónicas que pueden alcanzarse mediante la excitación por la luz, pero no existen tales reglas para la excitación por procesos de colisión.
Si un electrón está suficientemente excitado, puede desprenderse del núcleo y dejar de formar parte del átomo. El sistema restante es un ion, y se dice que el átomo ha sido ionizado, habiendo quedado en un estado cargado.